REKONSTRUKCJA WIRNIKA W SILNIKU 800 kW, 2p=4, 6 kV W … · Niezgodziński M.E., Niezgodziński T.:...
Transcript of REKONSTRUKCJA WIRNIKA W SILNIKU 800 kW, 2p=4, 6 kV W … · Niezgodziński M.E., Niezgodziński T.:...
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 79/2008 13
Wojciech Poprawski BOBRME Komel, Katowice
REKONSTRUKCJA WIRNIKA W SILNIKU 800 kW, 2p=4, 6 kV W CELU PRZYSTOSOWANIA UZWOJENIA KLATKOWEGO
DO TRUDNYCH WARUNKÓW PRACY
RECONSTRUCTION AND ADAPTATION OF SQUIRREL CAGE IN 4-POLE, 800 kW, 6 kV INDUCTION MOTOR FOR HEAVY-DUTY OPERATION
Abstract: In the paper the case of the squirrel cage failure in high voltage induction motor is described. This motor is operating in the drive characterised by long starting time and by very high and frequent overloads.
The analysis of drive operation and reasons of failure curried out. The changes in rotor construction has been
proposed to increase the motor service life.
1. Wstęp Rozruch silników klatkowych wysokiego na-
pięcia odbywa się zwykle przez bezpośrednie
załączenie na pełne napięcie sieci.
W przypadku napędów wymagających częstych
rozruchów lub długiego czasu rozruchu oznacza
to znaczne narażenia uzwojeń silnika na ter-
miczne i dynamiczne oddziaływanie prądu roz-
ruchowego o stosunkowo dużej wartości.
W takich napędach powinno się stosować sil-
niki specjalnie przystosowane do trudnych wa-
runków pracy – dotyczy to zwłaszcza konstruk-
cji klatki wirnika.
Zagadnienie to omówiono na przykładzie na-
pędu „rębaka”, urządzenia służącego do roz-
drabniania drewna do postaci nadającej się na
dodatek do paliwa. Do jego napędu zastoso-
wano pierwotnie importowany silnik o mocy
710 kW z klatką wirnika spawaną z prętów
aluminiowych. Po 8 miesiącach pracy doszło do
awarii silnika, uszkodzeniu uległa klatka wir-
nika (Rys.1).
Rys. 1. Uszkodzenia klatki wirnika w silniku
710 kW
Następnie został zainstalowany nowy silnik
(krajowy) o mocy 800 kW z klatką miedzianą.
Silnik ten pracował 16 miesięcy. Po tym okresie
również uległa uszkodzeniu klatka wirnika
(Rys.2). Ten drugi przypadek został poddany
szczegółowej analizie.
Rys. 2. Uszkodzenia klatki wirnika w silniku
800 kW
2. Analiza pracy napędu i uszkodzeń wirnika. Napęd wymaga przeprowadzania częstych roz-
ruchów. Czas rozruchu silnika wynosi ok. 25 s.
Napęd rębaka charakteryzuje się przy tym bar-
dzo dużą nierównomiernością obciążenia. W
czasie pracy występują częste przeciążenia
spowodowane rodzajem drewna (duże klocki) o
zróżnicowanej twardości. Chwilowe przeciąże-
nie prądowe dochodzi do wartości ok. 350 A
przy prądzie znamionowym wynoszącym 90 A.
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 79/2008 14
Na Rys.3 przedstawiono przykładowy przebieg
obciążenia prądowego silnika. Wykres obej-
muje okres 10 min.
Rys. 3. Prąd obciążenia silnika 800 kW w czasie
pracy
W czasie oględzin uszkodzonego wirnika nie
stwierdzono śladów przegrzania klatki. Po-
twierdziły to przeprowadzone obliczenia na-
grzewania klatki wirnika w czasie rozruchu.
Obliczony przyrost temperatury prętów klatki
wyniósł ok. 109 K a pierścieni zwierających
ok. 19 K. Również stan prętów w miejscu pęk-
nięć świadczył o tym, że uszkodzenia nie są
spowodowane naprężeniami o charakterze ter-
micznym. Klatka wirnika jest dobrze zabezpie-
czona przed działaniem sił odśrodkowych, pier-
ścienie zwierające są osadzone na podzwojni-
kach i dodatkowo zabezpieczone klinami przed
działaniem drgań skrętnych. Obliczona często-
tliwość poprzecznych drgań własnych prętów
wynosi 354 Hz i jest wystarczająco odległa od
częstotliwości sił wymuszających (50 Hz
i 100 Hz). Wobec tego przyczyną powodującą
uszkodzenia mogły być jedynie siły elektrody-
namiczne działające na pręty klatki w czasie
rozruchów i przy skokowych zmianach obcią-
żenia w czasie normalnej pracy silnika. Na
podstawie przeprowadzonych obliczeń elek-
tromagnetycznych określono wartości prądów
w pręcie klatki oraz obliczono, wg [1], siłę
elektromagnetyczną działającą na pręt w czasie
rozruchu i przy chwilowych przeciążeniach.
Obliczenia wytrzymałościowe wykonano, wg
[2], dla uproszczonego modelu obustronnie
sztywno utwierdzonego pręta.
Tablica 1.
Silnik 800 kW przed modernizacją, wyniki obli-
czeń elektromagnetycznych i wytrzymałościo-
wych
Parametr Jedn. Rozruch Praca
Prąd stojana A 585 350
Prąd wirnika A 6301 3750
Siła elektrodyna-
miczna N 5544 1964
Strzałka ugięcia pręta
(bez ograniczenia
żłobkiem)
mm 0.65 0.23
Dopuszczalne (dla
miedzi) naprężenie
zmęczeniowe
MPa 35 35
Dopuszczalna
strzałka ugięcia mm 0.22 0.22
Naprężenie w pręcie
przy luzie 0.22 mm MPa 35.4 35.4
Strzałka ugięcia pręta bez oparcia o dno żłobka
może osiągnąć wartość 0.65 mm przy rozruchu
i 0.23 mm przy przeciążeniach. Oznacza to, że
jeżeli pod wpływem sił elektrodynamicznych
działających na pręty nastąpiło powiększanie
luzu promieniowego prętów w żłobkach wir-
nika do wartości 0.22 mm, to dopuszczalne
(zmęczeniowe) naprężenie zginające w prętach
było przekroczone nie tylko przy rozruchu sil-
nika, ale również przy nagłych przeciążeniach.
3. Rekonstrukcja wirnika Ze względu na stosunkowo długi czas rozruchu
i dużą moc znamionową silnika nie można było
zastosować wirnika dwuklatkowego z prętami
okrągłymi, których dopuszczalna strzałka ugię-
cia jest zwykle znacznie większa niż stosowane
luzy technologiczne (jest to strzałka ugięcia,
która występuje, gdy naprężenia osiągają war-
tość dopuszczalną ze względu na wytrzymałość
zmęczeniową materiału). Dlatego zdecydowano
się na pozostawienie rozwiązania z wirnikiem
jednoklatkowym z prętami prostokątnymi.
Klatka wirnika została jednak przeprojektowana
w taki sposób, żeby w maksymalnym stopniu
zmniejszyć narażenia mechaniczne. Zastoso-
wano pręty wirnika o zmniejszonej sztywności
(większy stosunek W/J) i dzięki temu większej
dopuszczalnej strzałce ugięcia. Dodatkowo po-
większony został moment maksymalny silnika
(Rys.4).
300A
200A
100A
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 79/2008 15
M[Nm] = f(s)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
12000
13000
14000
15000
16000
0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070 0,080 0,090 0,100
przed modernizacją po modernizacji
Rys. 4. Moment obciążenia w funkcji poślizgu w
silnikach 800 kW
I1[A] = f(s)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10
przed modernizacją po modernizacji
Rys. 5. Prąd obciążenia w funkcji poślizgu w
silnikach 800 kW
Do obliczeń wytrzymałościowych nowego wir-
nika przy rozruchu przyjęto prąd w prętach
z obliczeń elektromagnetycznych. Dane do ob-
liczeń dla przeciążeń oszacowano w sposób po-
średni. W silniku przed modernizacją prąd sto-
jana przy przeciążeniach wynosił ok. 350 A.
Dla tej wartości prądu poślizg silnika wynosił
s=0.03. Z charakterystyki mechanicznej M=f(s)
na Rys.4 przy tym poślizgu moment obciążenia
silnika równy jest ok. 13000 Nm. W silniku
zmodernizowanym taki moment obciążenia wy-
stąpi przy mniejszym poślizgu ok. s=0.017.
Z Rys.5 odczytujemy dla tego poślizgu prąd
stojana równy ok. 250 A, który wystąpi w zmo-
dernizowanym silniku przy przeciążeniach.
Wyniki obliczeń zestawiono w Tablicy 2.
Tablica 2.
Silnik 800 kW po modernizacji, wyniki obliczeń
elektromagnetycznych i wytrzymałościowych
Parametr Jedn. Rozruch Praca
Prąd stojana A 604 250
Prąd wirnika A 6510 2655
Siła elektrodyna-
miczna N 4492 747
Strzałka ugięcia pręta
(bez ograniczenia
żłobkiem)
mm 1.32 0.22
Dopuszczalne (dla
miedzi) naprężenie
zmęczeniowe
MPa 35 35
Dopuszczalna
strzałka ugięcia mm 0.33 0.33
Naprężenie w pręcie
przy luzie 0.22 mm MPa 23.6 23.6
Dopuszczalna strzałka ugięcia dla prętów klatki
wynosi ok. 0.33 mm. Jest ona mniejsza od swo-
bodnego ugięcia pręta dla siły elektrodyna-
micznej w czasie chwilowych przeciążeń. Obli-
czony przyrost temperatury prętów klatki w
czasie rozruchu wyniósł ok. 107 K, a pierścieni
zwierających ok. 27 K, czyli pozostał na bez-
piecznym poziomie.
4. Zakończenie W zmodernizowanym silniku uzyskano znaczne
zwiększenie odporności klatki wirnika na nara-
żenia mechaniczne wynikające ze specyficz-
nych warunków pracy. Dopuszczalna strzałka
ugięcia pręta klatki wirnika jest powiększona o
ok. 50%. Naprężenie zginające w prętach przy
luzie promieniowym w żłobku równym
0.22 mm zostało obniżone o ok. 30% - przed
modernizacją przekraczało wartość dopusz-
czalną. W czasie chwilowych przeciążeń naprę-
żenia zginające w prętach klatki nie przekra-
czają wartości dopuszczalnej.
5. Literatura
[1]. Bernadt M.: Obliczanie naprężeń od sił elektro-
dynamicznych działających w czasie rozruchu w
prętach klatki wirnika głębokożłobkowego. Zeszyty
Problemowe Maszyny Elektryczne nr 11, 1970,
wyd. BOBRME Komel, s. 1-3
[2]. Niezgodziński M.E., Niezgodziński T.: Wzory,
wykresy i tablice wytrzymałościowe. PWN Warsza-
wa 1984.